宮學(xué)斌，劉元軍,2,3，趙曉明,2,3

(1.天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 天津市先進(jìn)紡織復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387；3.天津工業(yè)大學(xué) 天津市先進(jìn)纖維與儲能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387)

氣凝膠是一種具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的材料，具有孔隙率高，比表面積大，導(dǎo)熱率低等特點(diǎn)，是目前世界上密度最小的固體材料[1]。因其優(yōu)異的隔熱性能，近年來氣凝膠材料被廣泛應(yīng)用于航空航天，消防安全，社會生活等領(lǐng)域。目前對氣凝膠熱防護(hù)性能的研究主要集中在SiO2氣凝膠、酚醛氣凝膠、碳?xì)饽z、金屬氧化物氣凝膠、石墨烯氣凝膠等。

隨著世界各國在高速飛行器上的研究不斷取得突破，飛行器在工作過程中會保持高馬赫的速度運(yùn)行，在飛行器的表面會出現(xiàn)嚴(yán)重的氣動加熱，為保證飛行器的正常運(yùn)行以及人員的生命安全，熱防護(hù)系統(tǒng)的有效性至關(guān)重要，考慮到飛行器對于材料的高要求，需要具備低熱導(dǎo)率，密度低，易加工，熱穩(wěn)定性強(qiáng)等特性，輕質(zhì)隔熱的氣凝膠材料充分滿足條件，但氣凝膠材料的力學(xué)性能較差[2]，不可作為外結(jié)構(gòu)單獨(dú)使用，這是目前研究中需要攻克的一大難點(diǎn)。

在社會的生產(chǎn)生活中，火災(zāi)、爆炸等各種突發(fā)事故時有發(fā)生，為了在復(fù)雜的火場環(huán)境中保障消防員的生命安全，對具有高效熱防護(hù)性能防護(hù)服的研究引起了越來越多的關(guān)注。傳統(tǒng)的高溫防護(hù)服通常由4層織物組成，包括阻燃層、防水透氣層、隔熱層、舒適層，這就造成了防護(hù)服過于厚重且散熱較差，長時間穿戴造成消防員的體力消耗巨大、呼吸困難、出現(xiàn)熱應(yīng)激反應(yīng)等，這嚴(yán)重影響了消防員在火場中執(zhí)行任務(wù)的效率甚至威脅到了他們的生命安全。開發(fā)同時兼具質(zhì)量輕，熱防護(hù)性好，舒適性強(qiáng)的防護(hù)服十分關(guān)鍵。氣凝膠具有熱導(dǎo)率低、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于新型防護(hù)服的研發(fā)中。

因此，本文通過對氣凝膠的結(jié)構(gòu)性能、隔熱機(jī)制、研究現(xiàn)狀等進(jìn)行了詳細(xì)論述，以期對氣凝膠在防護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 氣凝膠

1.1 氣凝膠概述

氣凝膠，是一種用氣體填充納米級縫隙和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的固態(tài)材料。氣凝膠由膠體粒子相互聚集而成，是一種孔隙尺寸極小的三維結(jié)構(gòu)納米材料[3]。最早由Kistler在1930年首次制備了具有高孔隙率的無機(jī)二氧化硅氣凝膠[4]。氣凝膠也被稱為冷凍煙霧，固體煙霧或固體空氣，其特征是固體密度低，光學(xué)折射率低，導(dǎo)熱率低，表面高面積小，介電常數(shù)低。它包含超過96%的空氣，剩余的4%是細(xì)膩的二氧化硅基質(zhì)，因此，它是有史以來密度最低的固體之一。氣凝膠的典型結(jié)構(gòu)如圖1[4]所示。

圖1 氣凝膠中的納米級顆粒Fig.1 Nanoparticles in aerogels

氣凝膠根據(jù)不同的分類方式可以分為很多種。根據(jù)外觀可分為塊狀氣凝膠、粉末狀氣凝膠、薄膜/毛氈氣凝膠。根據(jù)制備方法可分為氣凝膠、干凝膠、冷凍凝膠和其他氣凝膠相關(guān)材料等。根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)可分為微孔氣凝膠、中孔氣凝膠以及混合多孔氣凝膠。根據(jù)組成成分可以分為有機(jī)氣凝膠、無機(jī)氣凝膠以及有機(jī)/無機(jī)雜化氣凝膠[4]。目前用于熱防護(hù)的氣凝膠材料有SiO2氣凝膠，酚醛氣凝膠，碳?xì)饽z，金屬氧化物氣凝膠，石墨烯氣凝膠等[5]。

1.2 氣凝膠的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性能

氣凝膠是一種具有納米級孔隙的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)固體材料，這些孔隙的大小在1～100 nm之間，在材料的組成中氣體占了96%，孔隙率最高可達(dá)99.8%，密度最小為0.003 g/cm3，僅有空氣的2.75倍，且熱導(dǎo)系數(shù)極低，只有0.013 W/(m·K),僅為靜止空氣的一半，光透過率極高可達(dá)99%[6]。

氣凝膠復(fù)合材料在光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)等方面都具有很好的表現(xiàn)。在氣凝膠的熱學(xué)特性的應(yīng)用中，氣凝膠材料的納米級孔隙結(jié)構(gòu)可以有效抑制固態(tài)和氣態(tài)的熱傳導(dǎo)，是一種非常出色的隔熱材料。非透明的氣凝膠合成物的熱導(dǎo)率可以低至9～12 mW/(m·K),相較于其他高性能隔熱材料具有更好的隔熱性能[7]。

1.3 氣凝膠的制備

氣凝膠是通過“溶膠-凝膠法”制得的，以SiO2氣凝膠為例，在制備過程中，分散在水中的烷氧基硅前體會發(fā)生水解和縮合，水解速率由催化劑來控制。烷氧基硅的同時縮合導(dǎo)致形成凝膠網(wǎng)絡(luò)。該混合物在反應(yīng)開始時為液體，并且變得越來越粘；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，溶液失去流動性，整個反應(yīng)混合物變成凝膠，該凝膠由填充了溶劑的SiO2三維網(wǎng)格組成[4]。在特殊控制的干燥過程中，溶劑從凝膠體中抽出，而不會讓凝膠塌陷，從而使完整的SiO2網(wǎng)格充滿了空氣而不是水，形成的產(chǎn)物就是氣凝膠。

1.4 氣凝膠的隔熱機(jī)制

氣凝膠具有納米級孔隙的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，擁有超低的導(dǎo)熱系數(shù)和密度，孔隙率非常高，所以具有出色的隔熱性能。氣凝膠屬于多孔隔熱材料，常規(guī)多孔隔熱材料的熱量傳遞方式主要有氣相傳熱、固相傳熱和輻射傳熱3種。但由于氣凝膠的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，這3種方式不完全適用于氣凝膠[8]。

氣相傳熱指的是在材料內(nèi)部的孔隙中氣體分子相互碰撞而產(chǎn)生的熱量。氣體分子非?；钴S，總是在進(jìn)行一種無序的熱碰撞，在發(fā)生碰撞的過程中，熱量較高的分子向熱量較低的分子傳遞熱量。但是氣凝膠材料內(nèi)部的空隙大小只有納米級別大小，小于空氣中分子在常溫常壓下進(jìn)行運(yùn)動的平均自由程，這也就使得氣凝膠空隙內(nèi)的氣體分子發(fā)生碰撞變得困難，僅可以與固體骨架發(fā)生碰撞，但這種碰撞并不能進(jìn)行熱量交換，所以氣凝膠的氣相傳熱非常小[9]。

固相傳熱指的是物質(zhì)內(nèi)部粒子發(fā)生熱運(yùn)動而產(chǎn)生的熱量傳遞。相較于一般隔熱材料，氣凝膠具有更低的體積分?jǐn)?shù)，并且骨架顆粒的直徑很小，熱傳導(dǎo)走過的路徑長，就會發(fā)生一種“無限長路效應(yīng)”，從而顆粒與顆粒的接觸面積很小，氣凝膠通過固體基質(zhì)進(jìn)行熱傳遞的效果大打折扣，所以氣凝膠的固相傳熱很低。

熱輻射現(xiàn)象可以發(fā)生在所有零度以上的物質(zhì)上，輻射傳熱就是通過電磁輻射使物體之間相互發(fā)生和吸收熱輻射的過程，這種傳熱方式不需要進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的接觸。物體的溫度越高，所具備的輻射能就越高。因?yàn)闅饽z具有納米級別的固體骨架，所以熱量在進(jìn)行輻射時會被氣凝膠內(nèi)部的細(xì)小孔隙反射出去，大大降低了輻射傳熱的效果[10-12]。

綜上所述，正是因?yàn)闅饽z的特殊納米級三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，使得其在進(jìn)行氣相傳熱、固相傳熱和輻射傳熱時的效率很低，傳熱量非常小，從而氣凝膠的熱導(dǎo)率很低，具有良好的隔熱效果。

2 氣凝膠熱防護(hù)性能的應(yīng)用

氣凝膠具有獨(dú)特的三維孔隙結(jié)構(gòu)，使其具有極低的導(dǎo)熱系數(shù)，因此可以被廣泛應(yīng)用于隔熱材料，例如航天航空飛行器，高溫防護(hù)服，建筑隔熱，蓄冷蓄熱設(shè)備，太陽能窗等[13]。其中研究最為熱門的是高速飛行器以及高溫防護(hù)服。

2.1 高速飛行器熱防護(hù)材料

隨著科技水平的不斷進(jìn)步，飛行器的飛行速度不斷提高，飛行器表面往往會處于較為惡劣的氣動熱環(huán)境[5]，為確保飛行器正常飛行以及飛行器內(nèi)人員的生命安全，研制出輕質(zhì)隔熱且具有可承載能力的熱防護(hù)系統(tǒng)至關(guān)重要。

氣凝膠材料是一種高孔隙率、低熱導(dǎo)率且密度非常低的納米多孔材料，擁有非常出色的隔熱性能，可以極大地提升組合式熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的效率[14-15]。但是氣凝膠的力學(xué)性能較差，無法單獨(dú)作為外防護(hù)結(jié)構(gòu)。目前高性能氣凝膠受到越來越多的關(guān)注，可以與各種纖維進(jìn)行復(fù)合，在保證其隔熱性能和低密度的前提下，提高其力學(xué)性能。

張璇等[16]采用浸漬技術(shù)開發(fā)了一種纖維增強(qiáng)納米多孔輕質(zhì)耐燒蝕材料，這種材料具有非常強(qiáng)的耐高溫能力，可以承受超過3 000 ℃的熱流沖擊，在受到超過3 MW/m2的風(fēng)洞考核后，表面溫度達(dá)到 3 300 ℃，背面溫度低于150 ℃,熱導(dǎo)率低于 0.2 W/(m·K),并且具有一定的力學(xué)性能，壓縮強(qiáng)度不低于2.5 MPa，密度低質(zhì)量輕，密度僅為 0.32 g/cm3。但存在孔洞、夾雜、密度不均的缺陷需要去完善。

李健等[17]將SiO2溶膠與莫來石針刺氈采用注膠工藝進(jìn)行復(fù)合，并使用超臨界干燥工藝得到增強(qiáng)SiO2氣凝膠作為隔熱層，這種材料熱導(dǎo)率低至0.022 W/(m·K)，具有相當(dāng)優(yōu)異的隔熱性能，但耐熱性有限，需要搭配耐高溫面板層材料一同使用。當(dāng)采用8 mm厚的Si—O—C陶瓷相產(chǎn)物作為面板層,并且隔熱層厚度為12 mm時，使用最高溫度為 1 600 ℃ 的石英燈進(jìn)行持續(xù)600 s的加熱后，材料背面溫度僅有118 ℃，隔熱性能表現(xiàn)優(yōu)異。

夏雨等[18]研制出一種新型一體化樹脂基熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，外防熱層采用聚酰亞胺復(fù)合材料，隔熱層采用SiO2氣凝膠，承載層采用環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)如圖2[18]所示。同時，因氣凝膠材料表面易掉粉，表面結(jié)合力比一般材料差，所以夏雨等[18]研制出一種新型耐高溫GBK膠作為氣凝膠材料與內(nèi)外層的黏結(jié)劑。在結(jié)構(gòu)中采用13 mm厚度的氣凝膠隔熱層，對這種熱防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行持續(xù)1 500 s的 500 ℃ 高溫加熱后，背面溫度僅108 ℃，表現(xiàn)出不錯的隔熱性能，滿足當(dāng)今飛行器隔熱承載一體化的要求。

圖2 樹脂基熱防護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of resin-based thermal protection structure

各種氣凝膠隔熱復(fù)合材料的成功研發(fā)對飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)做出巨大貢獻(xiàn)，隨著飛行速度的提高以及需求的多樣化，熱防護(hù)材料的防護(hù)性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還需要不斷進(jìn)步，未來研究方向要不斷向輕質(zhì)，高效，穩(wěn)定性強(qiáng)等方面發(fā)展[19]。

2.2 高溫防護(hù)服

傳統(tǒng)防護(hù)服通常采用多層織物組合來提高熱防護(hù)性能，主要包含阻燃層、防水透氣層、隔熱層以及舒適層4層織物。多層織物的重疊造成傳統(tǒng)防護(hù)服過于厚重，對人體的散熱以及行動能力造成了一定影響，使人更容易產(chǎn)生生理熱應(yīng)激和熱負(fù)荷等反應(yīng)，這對于在火場中執(zhí)行任務(wù)的人員的生命安全有巨大的威脅[20]。在多層織物中對防護(hù)服熱防護(hù)性能、透氣性、隔熱性影響最大的是隔熱層，目前國內(nèi)外防護(hù)服隔熱層采用的材料有芳綸類纖維、阻燃棉纖維、三聚酯酰胺纖維等[21]。對于新型防護(hù)服的要求是提高隔熱性能，減輕負(fù)重，降低熱應(yīng)力，提升熱防護(hù)性能，增加舒適性以及透氣性[22]。

相較于被用于隔熱層的其他材料，多孔結(jié)構(gòu)的氣凝膠擁有極低的熱導(dǎo)率，從而適合作為隔熱材料使用，但氣凝膠材料力學(xué)性能較差，在高溫下其多孔結(jié)構(gòu)會發(fā)生塌陷，而且紅外線透射性強(qiáng)，這些都會導(dǎo)致氣凝膠材料的熱導(dǎo)率上升，影響其隔熱性能，針對這些問題，氣凝膠材料得到更進(jìn)一步研究[23-24]。

任洪雨等[25]在非織造隔熱層的上下表面均勻涂抹氣凝膠乳液，相互錯位排列，通過對面料進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化制備了一種雙面格柵氣凝膠隔熱氈，結(jié)構(gòu)如圖3[25]所示。對這種面料的熱防護(hù)性能以透氣性進(jìn)行測試后發(fā)現(xiàn)，面料的綜合熱防護(hù)性最佳時，氣凝膠格柵寬度為2.5 mm，厚度為0.5 mm，內(nèi)外側(cè)溫差為70 ℃，透氣率為138.91 mm/s，在增強(qiáng)了熱防護(hù)性能的情況下保證了其透氣性，同時避免了質(zhì)量增加對人體舒適性的影響。

圖3 雙面格柵氣凝膠隔熱氈Fig.3 Double-sided grid aerogel insulation felt

王璐等[26]將SiO2氣凝膠混雜到芳綸非織造布中，并通過火焰手系統(tǒng)進(jìn)行燃燒測試，結(jié)果顯示芳綸非織造布夾雜SiO2氣凝膠之后導(dǎo)熱系數(shù)降低，同時，增加試樣的厚度，體積密度以及面密度都對隔熱性能有一定程度的提升。此外，手套采取三明治結(jié)構(gòu)可以有效防止氣凝膠粉末的掉落。

Shaid等[27]將氣凝膠非織造布分別作為防護(hù)服的隔熱層和增強(qiáng)材料，測試了其各種性能并與當(dāng)前市面上的增強(qiáng)材料進(jìn)行對比。當(dāng)將氣凝膠非織造層用作隔熱層時，其耐熱性是現(xiàn)有隔熱層的五倍，是現(xiàn)有隔熱層和防潮層的綜合性能的三倍。當(dāng)氣凝膠非織造布用作增強(qiáng)材料時，在49 N壓縮載荷下進(jìn)行200 ℃的表面加熱，發(fā)現(xiàn)商用增強(qiáng)材料接觸后30 s內(nèi)背后的溫度迅速升高至72 ℃(接觸時發(fā)生即時灼傷的溫度)，而氣凝膠增強(qiáng)材料則需要4 min以上的時間才能達(dá)到相同的溫度。此外，氣凝膠非織造布的透氣性幾乎是現(xiàn)有隔熱層的3倍，而且氣凝膠層將對水和其他無機(jī)有害液體的轉(zhuǎn)移具有一定的抵抗力，當(dāng)75%的H2SO4滴在氣凝膠層上時，沒有發(fā)生滲透或擴(kuò)散。在提高熱防護(hù)性能的同時，增加了使用人員的舒適性以及對有害液體的抵抗能力。

張慧[28]測試了微膠囊相變材料(MPCM)、傳統(tǒng)隔熱層和氣凝膠層3種材料相互組合作為隔熱層的熱防護(hù)性能。在熱輻射強(qiáng)度為15.4 kW/m2，輻射時間為240 s的條件下，同時使用氣凝膠和傳統(tǒng)隔熱層作為隔熱層，將氣凝膠放在隔熱層相對靠內(nèi)的位置時系統(tǒng)熱防護(hù)性能最好，相較于同厚度的傳統(tǒng)隔熱層，熱防護(hù)性能提升了51.4%。使用氣凝膠和MPCM作為隔熱層時，當(dāng)MPCM相變溫度為45 ℃且放置在隔熱層靠內(nèi)的位置，系統(tǒng)的熱防護(hù)性能表現(xiàn)最好，相較于同厚度的純氣凝膠或純MPCM，熱防護(hù)性能有很大的提升，說明氣凝膠和MPCM具有協(xié)同效應(yīng)。

鄭紅霞[29]采用溶膠-凝膠法以及原位生長技術(shù)，將SiO2氣凝膠納米顆粒添加到SiO2納米纖維中。氣凝膠顆粒加入后，材料內(nèi)部的納米級孔隙增多，熱量在傳輸過程中受到阻礙，使得固相傳熱減少，導(dǎo)熱系數(shù)顯著降低，從而材料具有良好的隔熱性。此外，SiO2氣凝膠納米顆粒的引入對材料的力學(xué)性能和疏水性進(jìn)行了改善。隨著添加量加大，材料在受外力作用時，纖維之間的摩擦力以及滑移阻力明顯增大，可以阻礙材料在斷裂時裂紋的擴(kuò)散，從而使材料的強(qiáng)度增加，同時還保持了其原有的柔韌性。材料還具有良好的疏水性，氣凝膠顆粒越多，疏水角越大。所以，優(yōu)異的隔熱性能、力學(xué)性能以及疏水性使其非常適合用于熱防護(hù)服。

氣凝膠材料在作為防護(hù)服的應(yīng)用中已經(jīng)受到了廣泛的研究，并且已經(jīng)取得了很多不錯的成果，但是在高溫下氣凝膠材料內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)會發(fā)生塌陷，造成粉末脫落影響其熱防護(hù)性能，這個問題還沒有一個特別好的解決方案。同時應(yīng)加大對氣凝膠防護(hù)服防水透氣性以及柔韌性的研究，為相關(guān)使用人員提供更好的舒適性。

2.3 其他用途

除了將氣凝膠材料用在高速飛行器以及高溫防護(hù)服上外，其隔熱性能還能應(yīng)用到很多方面。

Yin等[30]制備了一種新型保溫箱用作疫苗的冷鏈運(yùn)輸。保溫箱隔熱層由RT5/SiO2氣凝膠復(fù)合相變材料(PCM)和壓縮聚苯乙烯(XPS)組合構(gòu)成。相較于僅使用XPS作為隔熱層，使用PCM 作為隔熱層可以使溫度保持時間增加99倍。此外，XPS和PCM對隔熱效果具有協(xié)同作用，同時使用2種材料比單獨(dú)使用PCM作為隔熱層的保溫時間提升了14.7%。并且針對雙層隔熱層進(jìn)行優(yōu)化，保溫效果最好時XPS層與PCM層的厚度比為1∶3。隨著培養(yǎng)箱整體尺寸的增加，溫度保持時間的上升速率呈現(xiàn)出增加的趨勢，這為不同要求下的冷鏈運(yùn)輸配置提供了可替代品。

何翔等[31]研制出一種復(fù)合抗彈結(jié)構(gòu)，采用船用鋼作為前后面板，SiO2氣凝膠作為隔熱層，抗彈層選用超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)塑料(UFRP)層合板。在A60耐火等級標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行耐火測試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)SiO2氣凝膠材料的厚度為20 mm時，UFRP層合板的溫度僅有133 ℃，起到了很好的熱防護(hù)效果，防止了UFRP因溫度過高造成抗彈性能下降。

3 氣凝膠及其復(fù)合材料

氣凝膠材料具有含納米級孔隙的多維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因而其具有低熱導(dǎo)率，密度低，空隙率高等優(yōu)良特點(diǎn)，非常適合作為隔熱材料使用，已經(jīng)被用于航空航天，安全消防等領(lǐng)域，但是因?yàn)樘厥獾亩嗫紫督Y(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能較差，且在高溫下會出現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的塌陷，嚴(yán)重影響隔熱性能，常用其他材料與氣凝膠材料進(jìn)行復(fù)合來彌補(bǔ)缺陷。目前常用的氣凝膠材料有 SiO2氣凝膠、酚醛氣凝膠、金屬氧化物氣凝膠、碳?xì)饽z、石墨烯氣凝膠等。

3.1 SiO2氣凝膠及其復(fù)合材料

SiO2氣凝膠作為最早被發(fā)明的氣凝膠材料，對其進(jìn)行的研究最為廣泛，不斷對其制作工藝進(jìn)行優(yōu)化，對SiO2氣凝膠進(jìn)行改性來彌補(bǔ)其缺陷，目前對SiO2氣凝膠材料的研究已經(jīng)較為成熟，可以初步轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

3.1.1 與高性能纖維進(jìn)行復(fù)合

將高性能纖維與氣凝膠材料進(jìn)行復(fù)合，可以有效地提升氣凝膠材料的熱防護(hù)性能，這是最常見的一種方式。Chakraborty等[32]通過凝膠化、甲硅烷基化和大氣壓干燥路線制備出四乙氧基硅烷纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠，有效地改善了氣凝膠的疏水性。并且隨著甲硅烷基化劑濃度的增加，復(fù)合氣凝膠材料的熱防護(hù)性能得到了提升。與普通的非氣凝膠材料相比，使用氣凝膠材料后受到燒傷的時間增加了58%。

Lyu等[33]分別在室溫以及高溫環(huán)境下對陶瓷纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠進(jìn)行了壓縮實(shí)驗(yàn)，隨著暴露溫度的升高，材料的壓縮模量和強(qiáng)度增加，但形變恢復(fù)能力降低。由熱燒結(jié)引起的微觀結(jié)構(gòu)變化是改變力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。高溫引起的氣凝膠顆粒融合會導(dǎo)致顆粒骨架更厚，更堅(jiān)固。大孔的形成和破裂引起的基體裂紋使不可恢復(fù)的變形更加嚴(yán)重。壓縮載荷和熱載荷的共同作用會加劇不可逆形變的產(chǎn)生。呂雙祺等[34]在這之后還基于數(shù)字圖像的相關(guān)方法對材料進(jìn)行了各向異性熱變形的測量。

Ghica等[35]使用芳綸漿粕對SiO2氣凝膠進(jìn)行增強(qiáng)，得到的復(fù)合材料密度低至208 kg/m3，并且具有良好的熱防護(hù)性能，TG-DSC分析表明，復(fù)合材料在高達(dá)500～550 ℃的溫度下具有很高的熱穩(wěn)定性。在對材料表面進(jìn)行改性后具有良好的疏水性。同時尺寸穩(wěn)定性較好，在經(jīng)過5個壓縮-減壓循環(huán)后，其尺寸或微觀結(jié)構(gòu)沒有顯著變化。材料各方面都具有不錯的性能，非常具有潛力。

Mazraeh-shahi等[2]通過溶膠-凝膠法制備了SiO2氣凝膠/聚對苯二甲酸乙二酯(PET)非織造復(fù)合材料。通過氮?dú)馕椒治鰪?fù)合材料中SiO2氣凝膠顆粒的平均孔徑為11 nm，比表面積為606 m2/g，總孔體積為1.77 cm3/g，表明該氣凝膠可以保持其高孔隙率。與純PET材料相比，復(fù)合材料具有更好的疏水性與熱防護(hù)性能。

3.1.2 與相變材料進(jìn)行復(fù)合

相變材料(PCM)在相變過程中能可逆地吸收和釋放大量熱量[36-39]，具有較低的熱導(dǎo)率和較高的潛熱，在熱保護(hù)應(yīng)用中顯示出巨大的潛力[40-41]，但具有體積易變化和易泄漏的缺點(diǎn)，針對這個問題，通過將PCM摻入到各種多孔支撐材料中來制造形狀穩(wěn)定的復(fù)合PCM是可行的[42-45]。氣凝膠材料的多孔結(jié)構(gòu)剛好適合與PCM進(jìn)行復(fù)合。

Wang等[46]通過簡化的兩步法制備出疏水性SiO2氣凝膠，由正己烷活化后進(jìn)行短鏈烷烴硅烷化得到短鏈改性的M-SiO2氣凝膠，表現(xiàn)了出色的疏水性，同時保持了SiO2氣凝膠固有的高孔隙率。M-SiO2氣凝膠相較于SiO2氣凝膠大大提高了RT60(一種典型的有機(jī)PCM)的吸收率。與基于SiO2氣凝膠的相變復(fù)合材料相比，基于M-SiO2氣凝膠的相變復(fù)合材料有更好的熱防護(hù)性能和更大的潛熱，熱導(dǎo)率低至 0.178 W/(m·K)，潛熱高達(dá) 180 J/g。而且，基于M-SiO2氣凝膠的相變復(fù)合材料顯示出良好的可逆穩(wěn)定性，并且在200次加熱-冷卻循環(huán)后未觀察到PCM的泄漏。

Liu等[47]研發(fā)出一種整體式SiO2氣凝膠基復(fù)合相變材料的原位一步構(gòu)建方法，并用其制備出整體式十八烷醇/SiO2氣凝膠復(fù)合相變材料，這種材料具有較高的潛熱(127.73 J/g)，較低的熱導(dǎo)率(0.12 W/(m·K))，較高的抗壓強(qiáng)度(11 MPa)和良好的疏水性(接觸角124°)。特別是，由于二氧化硅氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)低且PCM的潛熱較大，因此，這種材料可以先使用二氧化硅氣凝膠有效地隔離熱量，然后再使用PCM吸收熱量，發(fā)揮出良好的隔熱性能。

3.1.3 氣凝膠噴涂成膜

隔熱涂層被廣泛用于保護(hù)柴油發(fā)動機(jī)和高壓渦輪機(jī)，以延長其組件的壽命[48]。足夠厚的涂層有助于熱防護(hù)，但空間限制通常要求使用高性能的隔熱材料。

Kim等[49]使用超音速冷噴涂將蒙脫石，SiO2和SiO2氣凝膠微粒沉積到剛性不銹鋼和柔性PET基材上。測試了各種厚度的絕緣層的隔熱性能。由于氣凝膠顆粒是非黏性的[50]，為了提高黏合強(qiáng)度，將氣凝膠與自身帶有黏性蒙脫土混合。在巧克力融化試驗(yàn)中，將3 mm厚的純蒙脫石涂層和3 mm厚的蒙脫石氣凝膠混合涂層作為隔熱層，巧克力分別在 8 min 和12 min時完全融化。測試證實(shí)，按體積計(jì)算，包含2/3蒙脫石和1/3氣凝膠的混合涂層具有更佳的絕緣性能。

3.1.4 氣凝膠與其他材料的結(jié)構(gòu)組合

在某些高溫烈焰沖擊的環(huán)境中，氣凝膠的隔熱性能會隨著自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)塌陷而大幅降低，這時需要搭配耐熱耐沖蝕材料一起使用來確保氣凝膠的熱防護(hù)性能。譚大力等[51]將SiO2氣凝膠和SiC陶瓷組合制備了一種熱防護(hù)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)受到噴射速度為1 000 m/s，焰心溫度超過1 800 ℃的丙烷火焰噴射后，發(fā)現(xiàn)氣凝膠材料沿厚度方向的溫度梯度變化十分明顯，在正面附近極速下降，在背面附近溫度變化較為平緩，說明氣凝膠材料具有優(yōu)秀的隔熱性能。

3.2 酚醛氣凝膠及其復(fù)合材料

酚醛氣凝膠是一種具有三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的固體凝膠材料，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在遍布著空氣的納米級孔隙，在溫度升高時這些孔隙限制了氣體分子的流動，大大降低了材料的熱導(dǎo)率，使其具備了良好的隔熱性能。同時熱解氣體在移動到邊界層后會產(chǎn)生熱阻塞效應(yīng)，表面熱解后會形成碳層，氣體碰到碳層會反向輻射消耗熱量[52]。

羅浩[53]采用溶膠凝膠法以及常壓升溫干燥法制備出硅酚醛氣凝膠，通過向氣凝膠的分子鏈嫁接三甲基乙氧基硅烷，使其接觸料達(dá)到了135°，從而具有良好的疏水性，但是使用的硅烷疏水劑有一定得用量要求，一旦超過0.8這個飽和值，會導(dǎo)致材料的熱穩(wěn)定性能出現(xiàn)輕微下降。

Wang等[54]開發(fā)了一種簡單便捷的溶膠-凝膠聚合工藝，并用其制備了短切碳纖維增強(qiáng)的硅酚醛樹脂氣凝膠納米復(fù)合材料。首先測試出Si/PR氣凝膠比PR氣凝膠具有更好的微觀結(jié)構(gòu)，更高的熱穩(wěn)定性和更好的抗氧化性，熱導(dǎo)率在室溫下約為0.089 W/(m·K)。同時短切碳纖維增強(qiáng)的硅酚醛樹脂氣凝膠納米復(fù)合材料的線性消融速率低至 0.117 mm/s，并且在受到超過2 000 ℃的氧乙炔火焰沖擊后，38 mm厚的材料背面溫度最高只有100 ℃左右。

宋寒等[55]將酚醛樹脂溶液作為前驅(qū)體，增強(qiáng)體選用石英針刺預(yù)制體，采用RTM復(fù)合浸漬成型法制備出石英纖維/酚醛氣凝膠復(fù)合材料。分析了不同樹脂前驅(qū)體配比對復(fù)合材料性能的影響。固化劑含量的增加會導(dǎo)致材料的收縮率顯著上升，壓縮變形量顯著降低，密度小幅增加，導(dǎo)熱系數(shù)先減小后變大。而且隨著提升酚醛樹脂固含量，材料收縮率顯著上升，壓縮變形先減小后增大，導(dǎo)熱系數(shù)先減后增。此外，增加二氧化硅的含量，收縮率和壓縮變形幾乎無變化，密度和導(dǎo)熱系數(shù)略有增加。

3.3 碳?xì)饽z及其復(fù)合材料

1989年P(guān)ekala首次使用超臨界干燥法制備了酚醛氣凝膠，然后在惰性氣體中高溫裂解得到了碳?xì)饽z[56]。碳?xì)饽z的制備過程大致可以分為三步：溶膠-凝膠、干燥、炭化。上述方法制備的碳?xì)饽z密度低，強(qiáng)度高，比表面積大，但是不易塊狀成型[57-58]，且在有氧環(huán)境下易氧化，力學(xué)性能急速減弱[59]。所以在實(shí)際的使用中需要添加增強(qiáng)相來彌補(bǔ)缺陷。

Ye等[60]通過真空浸漬將碳?xì)饽z浸漬到碳鍵合碳纖維(CBCF)中制備出新型超彈性碳纖維復(fù)合材料(CBCF-CA)。CBCF-CA材料有效改善了碳?xì)饽z的缺點(diǎn)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到了1.24 MPa，且在壓力釋放后恢復(fù)原有形狀，無明顯形變。此外，CBCF-CA材料保持了氣凝膠材料良好的隔熱性能，在 1 400 ℃ 的高溫下熱導(dǎo)率僅有0.246 W/(m·K)，低于CBCF材料的0.341 W/(m·K)。

馮家鑫等[61]研發(fā)出帶有致密ZrB2-SiC陶瓷涂層的碳纖維增強(qiáng)碳?xì)饽z復(fù)合材料，碳纖維的引入使得碳?xì)饽z的機(jī)械強(qiáng)度有了很大的提升，材料在XY方向受力時機(jī)械性能較為優(yōu)異。在經(jīng)過4次涂層浸漬后，氣凝膠復(fù)合材料的密度從0.22 g/cm3增加到0.40 g/cm3,彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度分別達(dá)到了30.27 MPa和10.93 MPa，較純氣凝膠材料有了很大的提升。在溫差為400 ℃(-200～200 ℃)的熱振循環(huán)測試中，經(jīng)過20次循環(huán)后材料的力學(xué)性能無明顯下降，耐高低溫的能力非常出色。

3.4 金屬氧化物氣凝膠及其復(fù)合材料

金屬氧化物氣凝膠不僅擁有氣凝膠材料的基本特性，如輕質(zhì)、導(dǎo)熱率低、孔隙率高等，還具有更高的使用溫度，相較于SiO2氣凝膠有更好的穩(wěn)定性，但是還具有一些不足。以Al2O3氣凝膠為例，在受到1 000 ℃的熱處理時，內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大量塌陷，比表面積急速減小，使氣凝膠的優(yōu)越性能大打折扣[62]。

陳恒[63]為了使Al2O3氣凝膠擁有更高的使用溫度，采用溶膠凝膠法制備了Al2O3-SiO2氣凝膠。當(dāng)Al與Si摩爾比為3∶1時，復(fù)合氣凝膠的導(dǎo)熱率最低，隔熱性能最好。為了彌補(bǔ)氣凝膠材料強(qiáng)度低，脆性大的缺陷，分別使用剛性隔熱瓦和柔性纖維氈作為復(fù)合材料的支撐體。纖維氈-Al2O3-SiO2氣凝膠復(fù)合材料常溫下的熱導(dǎo)率為0.016 7 W/(m·K),即使在1 200 ℃的高溫下，材料熱導(dǎo)率也保持在0.109 W/(m·K)，擁有較好的隔熱性能。與之相比，隔熱瓦-Al2O3-SiO2氣凝膠復(fù)合材料隔熱性能稍差一點(diǎn)，常溫下熱導(dǎo)率為0.040 W/(m·K)，在 1 200 ℃ 高溫下的熱導(dǎo)率為0.124 W/(m·K)，但是隔熱瓦-Al2O3-SiO2氣凝膠復(fù)合材料力學(xué)性能更好，具有較高的彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度。

Shao等[64]采用漿料浸漬和快速燒結(jié)的方法在Al2O3纖維增強(qiáng)的Al2O3-SiO2氣凝膠復(fù)合材料上制備了MoSi2鋁硼硅酸鹽玻璃雜化涂層。研究了MoSi2含量對輻射性能和熱沖擊行為的影響。在0.8～2.5 μm的波長下，采用不同MoSi2含量的涂層的總輻射系數(shù)均超過0.85，MoSi2含量為30%的涂層的復(fù)合材料表現(xiàn)出最佳的熱穩(wěn)定性。并且在受到 1 473 K 至室溫之間的20次熱沖擊循環(huán)后，質(zhì)量損失僅為0.023%，這歸因于涂層和基材之間的熱膨脹系數(shù)相似，以及鋁硼硅酸鹽玻璃在 1 437 K 時的合適黏度。

3.5 石墨烯氣凝膠及其復(fù)合材料

石墨烯氣凝膠不但具有氣凝膠低熱導(dǎo)率、低密度、高孔隙率、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)，還保留了石墨烯材料的固有特性，如力學(xué)性能強(qiáng)等，有效改善了氣凝膠材料較脆易碎的缺點(diǎn)。

高珊等[65]采用改進(jìn)后的Hummers法制備出碳纖維增強(qiáng)石墨烯氣凝膠復(fù)合材料，這種材料在低輻射熱作用下具有較好的耐受性和熱穩(wěn)定性。將 6 mm 的復(fù)合材料加入織物中，可以使人體受到熱損傷所需時間延長203%，使產(chǎn)生二級燒傷的時間延長218%。同時適當(dāng)增加材料的厚度可以提升熱防護(hù)性能，但進(jìn)一步增加厚度會使熱防護(hù)性能下降。并且復(fù)合材料的平均透濕率在16.0 g/(m2·24 h)，應(yīng)用于防火織物中不會降低舒適性。

孟晶等[66]進(jìn)一步研究了氧化石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)、碳纖維含量以及復(fù)合材料的厚度對熱防護(hù)性能的影響。對于面料最大溫差系統(tǒng)、升溫至12 ℃所需時間以及升溫至24 ℃所需時間，質(zhì)量分?jǐn)?shù)與厚度之間存在交互作用，質(zhì)量分?jǐn)?shù)與碳纖維含量有極顯著交互作用。對于面料系統(tǒng)達(dá)到最高溫度所需時間，碳纖維含量影響較顯著，其他2項(xiàng)沒有顯著影響，且三者之間不存在交互作用。最終石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%，碳纖維增強(qiáng)石墨烯復(fù)合材料厚度為10 mm時，熱防護(hù)性能最佳。

4 展 望

本文針對各類氣凝膠的研究進(jìn)展進(jìn)行了一定的論述，SiO2氣凝膠研究時間最長且成果已經(jīng)較為成熟，相較之下其他各類氣凝膠的研究還有很大的進(jìn)步空間，在進(jìn)行研究時除了要利用好氣凝膠材料的基本特性，還可以針對各類氣凝膠材料所具備的獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)展開研究，以滿足各方面的特種需求。

氣凝膠材料因?yàn)槠洫?dú)特的結(jié)構(gòu)以及優(yōu)異的隔熱性能已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天，保溫隔熱，熱防護(hù)服等方面，但其仍然面臨造價高，質(zhì)地脆，熱穩(wěn)定性差等問題。在未來對氣凝膠的研究中，建議從以下幾個方面開展工作。1)提升耐溫上限，增強(qiáng)綜合性能，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，通過異質(zhì)材料復(fù)合，改善成分配比，優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)等方式研發(fā)更多耐高溫的氣凝膠復(fù)合材料，使其具備更好的力學(xué)性能，隔熱性能，可加工性，可以滿足更多特種功能的需求。2)優(yōu)化氣凝膠及其復(fù)合材料材料與其他材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)組合的工藝技術(shù)，材料在面對熱載荷以及壓縮載荷的共同作用下會加劇不可逆變形的產(chǎn)生，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時要著重考慮，滿足隔熱承重一體化防護(hù)的需求。3)進(jìn)一步解決氣凝膠材料自身不具有黏性，作為隔熱層時與服裝結(jié)合的問題，依據(jù)在服裝使用中不同部位的需求，改善力學(xué)性能，消除高溫后材料的粉塵問題，增強(qiáng)使用人員的舒適性，針對防水透氣性采取更多的措施。4)創(chuàng)新氣凝膠的制作工藝，降低材料制作的成本。

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